斑马鱼大脑的一个原始区域帮助它们找到回家的路

它们大脑中一个进化上古老的部分充当着认知地图。
Zebrafish swimming in an aquarium.
在水族馆里游动的斑马鱼。Deposit Photos

2003年,一只名为尼莫的迷路虚构小丑鱼游到了票房大获成功。根据一项新研究,如果尼莫没有最终出现在牙医的鱼缸里,它大脑后部一个更古老的部分本可以启动,帮助它找到回到珊瑚礁家园的路。

霍华德·休斯医学研究所(HHMI)Janelia研究园区的一组科学家现在正更好地理解动物如何知道自己在环境中的位置——以及如何找到回到原先路径的方法。一项于12月22日发表在《Cell》杂志上的研究详细介绍了被称为“后脑”的一个区域如何帮助动物确定位置,并利用这些信息来规划下一步的去向。

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the 后脑 是大脑后部一个古老区域,在进化上保守,或者说在进化过程中几乎没有改变。研究作者们观察了微小透明的斑马鱼。出于多种原因,包括它们快速的生长速度、能够帮助科学家观察内部的半透明身体,以及与人类相似的基因结构,它们历史上一直被用于研究,尤其是在遗传学领域。斑马鱼的基因组于2013年被全面测序

鱼被置于模拟水流的环境中,然后由于水流意外变化而被推离原定路线。然而,它们能够修正航向并回到起点。在斑马鱼游动时,研究人员使用全脑成像技术来测量鱼类大脑内部发生的情况。科学家们可以搜索整个大脑,记录下斑马鱼在修正航向时激活了哪些回路,并区分开独立的活动。

研究团队原本预计会看到前脑,也就是储存着动物环境内部地图的“海马体”。相反,他们看到了延髓的几个区域被激活。这就是关于动物位置的信息通过一条新识别的回路进行传输的地方。后脑的一个称为下橄榄核的区域利用运动回路将信息传递给小脑,从而使鱼类移动。当这些通路被阻断时,鱼类无法回到原来的位置。

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“我们发现鱼类试图计算其当前位置与其偏好位置之间的差异,并利用这种差异产生一个误差信号,”新研究的第一作者、Janelia Ahrens实验室的博士后研究员En Yang在一份声明中表示。“大脑将这个误差信号发送到其运动控制中心,以便鱼类在被水流意外移动后能够进行纠正,即使是在许多秒之后。”  

这段视频展示了幼年斑马鱼的虚拟现实环境。鱼在模拟水流存在的情况下穿越二维环境。图片来源:Misha Ahrens。

以往的研究表明,下橄榄核和小脑执行了与抓取和运动相关的动作,但不是这种导航。据研究团队称,这个后脑网络也可能为其他导航技能奠定基础,包括鱼类游到特定地点寻求庇护。

Janelia资深组长Misha Ahrens在一份声明中说:“对于这种形式的导航,这是一个非常未知的回路,我们认为它可能构成更高级别海马回路的基础,用于探索和基于地标的导航。”

需要进一步研究来确定这些相同的网络是否也参与了其他动物的类似行为。

 

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Laura Baisas

新闻编辑

Laura 是 Popular Science 的新闻编辑,负责报道各种主题。Laura 对所有水下事物、古生物学、纳米技术特别着迷,并探索科学如何影响日常生活。


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